Tài liệu Hướng dẫn đồ án điện tử P1 ppt

1



TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ








TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN
THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT
(Dành cho sinh viên chuyên ngành Thiết bị điện - Điện tử)

Mục đích yêu cầu:
Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển ngày càng mạnh mẽ
của các lĩnh vực khoa học, ứng dụng của chúng vào công nghiệp nói chung và
công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đã đươc chế
tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quốc

2


dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị
này là hết sức cần thiết đối với các kỹ sư ngành điện.
Để giúp cho sinh viên một kỹ năng ứng dụng những kiến thức lý thuyết
đã học về môn học thiết bị điện tử công suất vào việc thiết kế những bộ nguồ
n
công suất hoàn chỉnh, thiết kế thiết bị điện tử công suất (TK), đặt mục đích
hoàn thiện lý thuyết và nâng cao kỹ năng ứng dụng làm mục đích chính.
Mỗi sinh viên được nhận một đề tài thiết kế độc lập cho mình, có trách
nhiệm hoàn thành nội dung được đề ra theo nhiệm vụ TK, với nội dung này
sinh viên phải thiết kế thành những thiết bị hoàn chỉnh để có thể ứ
ng dụng
trong thực tế sản xuất.
Nội dung TK
• Thuyết minh sơ qua về công nghệ của tải mà bộ nguồn cấp điện
• Chọn sơ đồ mạch động lực.
• Thiết kế, tính chọn các thiết bị cơ bản của mạch động lực (bao gồm
chọn van bán dẫn, tính toán các thông số định mức cơ bản, tính toán
máy biến áp hay cuộ
n kháng nếu có, tính chọn các thiết bị đóng cắt và
bảo vệ ).

• Thiết kế tính chọn mạch điều khiển.
• Thiết kế kết cấu (tủ điện).
8.1 Tóm tắt lý thuyết.
Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lưu
với mục đích biến đổi năng lượng điệ
n xoay chiều thành một chiều. Các loại
bộ biến đổi này có thể là chỉnh lưu không điều khiển và chỉnh lưu có điêu
khiển. Với mục đích giảm công suất vô công, người ta thường mắc song song
ngược với tải một chiều một điôt (loại sơ đồ này được gọi là sơ đồ có điôt
ngược). Trong các sơ đồ chỉnh lưu có điôt ngược, khi có và không có đi
ều
khiển, năng lượng được truyền từ phía lưới xoay chiều sang một chiều, nghĩa
là các loại chỉnh lưu đó chỉ có thể làm việc ở chế độ chỉnh lưu. Các bộ chỉnh
lưu có điều khiển, không điôt ngược có thể trao đổi năng lượng theo cả hai
chiều. Khi năng lượng truyền từ lưới xoay chiều sang tải một chiều, bộ nguồ
n
làm việc ở chế độ chỉnh lưu, khi năng lượng truyền theo chiều ngược lại (nghĩa
là từ phía tải một chiều về lưới xoay chiều) thì bộ nguồn làm việc ở chế độ
nghịch lưu trả năng lượng về lưới.
Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, chúng ta có thể chia chỉnh lưu thành
một hay ba pha. Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lư
u là: dòng điện và
điện áp tải; dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch
trong một chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp có thể là
một chiều, hay xoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp

3


một chiều hay, xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của

tần số sóng hài thấp nhất của điện áp chỉnh lưu với tần số điện áp xoay chiều.
Theo hình dạng các sơ đồ chỉnh lưu, với chuyển mạch tự nhiên chúng ta
có thể phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau.
1. Chỉnh lưu một nửa chu k
ỳ.




Hình 8.1. Sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ.
ở sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ hình 8.1 sóng điện áp ra một chiều sẽ
bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anod của van bán dẫn âm, do
vậy khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ, chúng ta có chất lượng điện
áp xấu, trị
số điện áp tải trung bình lớn nhất được tính:
U
do
= 0,45.U
2
(8 -1)
Với chất lượng điện áp rất xấu và cũng cho ta hệ số sử dụng biến áp xấu:
S
ba
= 3,09.U
d
.I
d
. (8 -2)
Đánh giá chung về loại chỉnh lưu này chúng ta có thể nhận thấy, đây là
loại chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy vậy các chất lượng

kỹ thuật như: chất lượng điện áp một chiều; hiệu suất sử dụng biến áp quá xấu.
Do đó loại chỉnh lưu này ít được ứng dụng trong thực tế.
Khi cầ
n chất lượng điện áp khá hơn, người ta thường sử dụng sơ đồ
chỉnh lưu cả chu kỳ theo các phương án sau.
2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.






Hình 8.2. Sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính.
Theo hình dạng sơ đồ, thì biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông
số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ
có một van dẫn cho dòng điện chạy qua.
Cho nên ở cả hai nửa chu kỳ sóng điện áp tải trùng với điện áp cuộn dây có
van dẫn. Trong sơ đồ này điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ, với tần
U2
R
L
T
U1
T2
U1
R
U2
U2
T1
L

4


số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều. Hình dạng các đường
cong điện áp, dòng điện tải (Ud, Id), dòng điện các van bán dẫn I1, I2 và điện
áp của van T1 mô tả trên hình 8.3a khi tải thuàn trở và trên hình 8.3b khi tải
điện cảm lớn.











Hình 8.3. Các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các
van và điện áp của Tiristo T1
Đ
iện áp trung bình trên tải, khi tải thuần trở dòng điện gián đoạn được
tính:
U
d
= U
do
.(1+cosα)/2. (8 -3).
với: - U

do
: Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng U
do
= 0,9.U
2

α
Góc mở của các Tiristo.
Khi tải điện cảm lớn dòng điện, điện áp tải liên tục, lúc này điện áp một
chiều được tính:
U
d
= U
do
.cosα (8 -4)
Trong các sơ đồ chỉnh lưu thì loại sơ đồ này có điện áp ngược của van
phải chịu là lớn nhất
Mỗi van dẫn thông trong một nửa chu kỳ, do vậy dòng điện mà van bán
dẫn phải chịu tối đa bằng 1/2 dòng điện tải , trị hiệu dụng của dòng điện chạy
qua van I
hd
= 0,71.I
d
.
So với chỉnh lưu nửa chu kỳ, thì loại chỉnh lưu này có chất lượng điện áp
tốt hơn. Dòng điện chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ.
Đối với chỉnh lưu có điều khiển, thì sơ đồ hình 8.2 nói chung và việc điều
2
22 UU
nv

=
0
t1 t2 t3
Ud Id
I1
I2
t
t
t
t
0
t1 t2 t3
Ud
Id
I1
I2
t
t
t
t
c.b
p1 p2 p3
UT1 UT 1

5


khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản. Tuy vậy việc chế tạo biến áp
có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau, mà mỗi cuộn chỉ làm việc có một nửa chu
kỳ, làm cho việc chế tạo biến áp phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng biến áp xấu

hơn, mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị
số lớn nhât.
3. Chỉnh lưu cầu một pha.







Hình 8.4. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng.
Hoạt động của sơ đồ này khái quát có thể mô tả như sau. Trong nửa bán
kỳ điện áp anod của Tiristo T1 dương (+) (lúc đó catod T2 âm (-)), nếu có
xung điều khiển cho cả hai van T1,T2 đồng thời, thì các van này sẽ được mở
thông để đặt đ
iện áp lưới lên tải, điện áp tải một chiều còn bằng điện áp xoay
chiều chừng nào các Tiristo còn dẫn (khoảng dẫn của các Tiristo phụ thuộc
vào tính chất của tải). Đến nửa bán kỳ sau, điện áp đổi dấu, anod của Tiristo
T3 dương (+) (catod T4 âm (-)), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T3,T4
đồng thời, thì các van này sẽ được mở thông, để đặt điện áp lưới lên tải, với
đ
iện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước.
Chỉnh lưu cầu một pha hình 8.4 có chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống
như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, như sơ đồ hình 8.2. Hình
dạng các đường cong điện áp, dòng điện tải, dòng điện các van bán dẫn và điện
áp của một van tiêu biểu gần tương tự như trên hình 8.3a.b. Trong sơ
đồ này
dòng điện chạy qua van giống như sơ đồ hình 8.2, nhưng điện áp ngược van
phải chịu nhỏ hơn U
nv

= √2.U
2
.
Việc điều khiển đồng thời các Tiristo T1,T2 và T3,T4 có thể thực hiện
bằng nhiều cách, một trong những cách đơn giản nhất là sử dụng biến áp xung
có hai cuộn thứ cấp như hình 8.5.
Điều khiển các Tiristo trong sơ đồ hình 8.4, nhiều khi gặp khó khăn cho
trong khi mở các van điều khiển, nhất là khi công suất xung không đủ lớn. Để
tránh việc mở đồng thời các van như ở trên, mà chất lượ
ng điện áp chừng mực
nào đó vẫn có thể đáp ứng được, người ta có thể sử dụng chỉnh lưu cầu một
pha điều khiển không đối xứng.

T4 T1
U2
T3
L
T2
R

6

Hinh 8.5. Phương án cấp xung chỉnh lưu cầu một pha
Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng có thể thực hiện bằng
hai phương án khác nhau như hình 8.6. Giống nhau ở hai sơ đồ này là: chúng
đều có hai Tiristo và hai điôt; mỗi lần cấp xung điều khiển chỉ cần một xung;
điện áp một chiều trên tải có hình dạng ( xem hình 8.7a,b) và trị số giố
ng nhau;
đường cong điện áp tải chỉ có phần điện áp dương nên sơ đồ không làm việc
với tải có nghịch lưu trả năng lượng về lưới. Sự khác nhau giữa hai sơ đồ trên
được thể hiện rõ rệt khi làm việc với tải điện cảm lớn, lúc này dòng điện chạy
qua các van điều khiển và không điều khiển sẽ khac nhau.





b
Hình 8.6. Sơ
đồ chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng.
Trên sơ đồ hình8.6a (với minh hoạ bằng các đường cong hình 8.7a) khi
điện áp anod T1 dương và catod D1 âm có dòng điện tải chạy qua T1, D1 đến
khi điện áp đổi dấu (với anod T2 dương) mà chưa có xung mở T2, năng lượng
của cuộn dây tải L được xả ra qua D2, T1. Như vậy việc chuyển mạch của các
van không điều khiển D1, D2 x
ảy ra khi điện áp bắt đầu đổi dấu. Tiristo T1 sẽ
bị khoá khi có xung mở T2, kết quả là chuyển mạch các van có điều khiển
được thực hiện bằng việc mở van kế tiếp. Từ những giải thích trên chúng ta
thấy rằng, các van bán dẫn được dẫn thông trong một nửa chu kỳ (các điôt dẫn
từ đầu đến cuối bán kỳ điện áp âm catod, còn các Tiristo được dẫn thông tại
thờ
i điểm có xung mở và bị khoá bởi việc mở Tiristo ở nửa chu kỳ kế tiếp). Về

trị số, thì dòng điện trung bình chạy qua van bằng I
tb
= (1/2 ) I
d
, dòng điện hiệu
dụng của van I
hd
= O,71. Id.
Theo sơ đồ hình 8.6 b (với minh hoạ bằng các đường cong hình 8.7b),
khi điện áp lưới đặt vào anod và catod của các van bán dẫn thuận chiều và có
dieu khien
Mach
T1 (T3)
T2 (T4)
D
D
RLRL

7


xung điều khiển, thì việc dẫn thông các van hoàn toàn giống như sơ đồ hình
8.6a. Khi điện áp đổi dấu năng lượng của cuộn dây L được xả ra qua các điôt
D1, D2, các van này đóng vai trò của điôt ngược. Chính do đó mà các Tiristo
sẽ tự động khoá khi điện áp đổi dấu. Từ đường cong dòng điện các van trên
hình 8.7b có thể thấy rằng, ở sơ đồ này dòng điện qua Tiristo nhỏ hơn dòng
điện qua các điôt.

Hình 8.7. Giản đồ các đường cong điện áp, dòng điện tải
(Ud, Id), dòng điện các van bán dẫn của các sơ đồ a- hình 8.6a; b- hình 8.6b.
Nhìn chung các loại chỉnh lưu cầu một pha có chất lượng điện áp tương
đương như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, chất lượng điện một
chiều như nhau, dòng điện làm việc c
ủa van bằng nhau, nên việc ứng dụng
chúng cũng tương đương nhau. Mặc dù vậy ở chỉnh lưu cầu một pha có ưu
điểm hơn ở chỗ: điện áp ngược trên van bé hơn; biến áp dễ chế tạo và có hiệu
suất cao hơn. Thế nhưng chỉnh lưu cầu một pha có số lượng van nhiều gấp hai
lần, làm giá thanh cao hơn, sụt áp trên van lớn gấp hai lần, chỉnh l
ưu cầu điều
khiển đối xứng thì việc điều khiển phức tạp hơn.
Các sơ chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ
đập mạch điện áp quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn điều này không đáp ứng
được cho nhiều loại tải. Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta phải sử

dụng các sơ đồ có số pha nhiều hơn.
4. Chỉnh lưu tia ba pha.
Khi biến áp có ba pha đấu sao ( Υ ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van
như hình 8.8a, ba catod đấu chung cho ta điện áp dương của tải, còn trung tính
biến áp sẽ là điện áp âm. Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 120
0

theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dương hơn
điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 120
0
). Từ đó thấy
rằng, tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn hai pha kia.
0
t1 t2 t3
Ud
Id
IT1
0
t1 t2 t3
Ud
Id
t
IT2
ID1
ID2
IT1
IT2
ID1
ID2
t
t
t
t
t
t
t
tt

t
t
a. b.

8


Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của van
nào dương hơn van đó mới được kích mở. Thời điểm hai điện áp của hai pha
giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristior
chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (như
vậy trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất α = 0
0
sẽ dịch pha so với điện áp
pha một góc là 30
0
).

Hình 8.8. Chỉnh lưu tia ba pha
a. Sơ đồ động lực; b- Giản đồ đường các cong khi góc mở α = 30
0
tải
thuần trở; c- Giản đồ các đường cong khi α = 60
0
các đường cong gián đoạn.
Theo hình 8.8b,c tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, như vậy
mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đường cong
I1,I1,I3 trên hình 8.8b), còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông
của các van nhỏ hơn. Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng điện trung bình
T1
B
T2
C
T3
A
R
L
Ud
Id
UT1

t1 t2 t3 t4
I1
I2
I3
Ud
t
Id
t1 t2 t3 t4
I1
I2
I3
t
t
tt
t
t
tt
t
b.
0
c.

9


của các van đều bằng 1/3.Id. Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của
van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp
của van phải chịu bằng điện dây giữa pha có van khoá với pha có van đang
dẫn. Ví dụ trong khoảng t2 ÷ t3 van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải
chịu một điện áp dây U

AB
, đến khoảng t3 ÷ t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn
lúc này T1 chịu điện áp dây U
AC
.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ
thuộc góc mở của các Tiristo. Nếu góc mở Tiristo nhỏ hơn α ≤ 30
0
, các đường
cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn α > 30
0
điện áp và dòng điện tải gián
đoạn (đường cong Ud, Id trên hình 8.8c).







Hình 8.9. Đường cong điện áp tải khi góc mở α = 60
0

với a tải thuần trở, b tải điện cảm.
Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các
đường cong liên tục, nhờ năng lượng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì
dòng điện khi điện áp đổi dấu, như đường cong nét đậm trên hình 8.9b (tương
tự như vậy là đường cong Ud trên hình 8.8b). Trên hình 8.9 mô tả m
ột ví dụ so
sánh các đường cong điện áp tải khi góc mở α = 60

0
tải thuần trở hình 8.9a và
tải điện cảm hình 8.9b
Trị số điện áp trung bình của tải sẽ được tính như công thức (1 - 4) nếu
điện áp tải liên tục, khi điện áp tải gián đoạn (điển hình khi tải thuần trở và góc
mở lớn) điện áp tải được tính:
Trong đó; U
do
= 1,17.U
2f
. điện áp chỉnh lưu tia ba pha khi van la
điôt.
U
2f
- điện áp pha thứ cấp biến áp.
So với chỉnh lưu một pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện một
chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao
bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trường hợp này cũng tương đối
đơn giản. Với việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ
cấp là dòng một chiều, nhờ có
tt
a.
b.
ABCA ABCA
1
(
3
s
in1
3

⎥
⎦
⎢⎣
⎟
⎠
⎜⎝
−+=
α
Ud

10


biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều
không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn (xem hệ số công suất bảng
2), nếu ở đây biến áp được chế tạo từ ba biến áp một pha thì công suất các biến
áp còn lớn hơn nhiều. Khi chế tạo biến áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải
được đấu Υ với dây trung tính phải lớn hơ
n dây pha vì theo sơ đồ hình 8.8a thì
dây trung tính chịu dòng điện tải.
5. Chỉnh lưu tia sáu pha:

Hình 8.10. Chỉnh lưu tia sáu pha.
a Sơ đồ động lực; b đường cong điện áp tải.
Sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha ở trên có chất lượng điện áp tải chưa thật tốt
lắm. Khi cần chất lượng điện áp tốt hơn chúng ta sử dụng sơ
đồ nhiều pha hơn.
Một trong những sơ đồ đó là chỉnh lưu tia sáu pha. Sơ đồ động lực mô tả trên
hình 8.10a.
Sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha được cấu tạo bởi sáu van bán dẫn nối tới biến
áp ba pha với sáu cuộn dây thứ cấp, trên mỗi trụ biến áp có hai cuộn giống
nhau và ngược pha. Điện áp các pha dịch nhau một góc là 60
0
như mô tả trên
hình 8.10b. Dạng sóng điện áp tải ở đây là phần dương hơn của các điện áp
pha với đập mạch bậc sáu. Với dạng sóng điện áp như trên, ta thấy chất lượng
điện áp một chiều được coi là tốt nhất.
Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ hình 8.10b) chúng
ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ. So với các s
ơ
đồ khác, thì ở chỉnh lưu tia sáu pha dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất.
Do đó sơ đồ chỉnh lưu tia sáu pha rất có ý nghĩa khi dòng tải lớn. Trong trường
hợp đó chúng ta chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn.
6. Chỉnh lưu cầu ba pha.
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
A
*
*
R L
*
T1

B
T2
C
T3
T4
A*
T5
B*
T6
C*
t
ABCA* B*C*

11


Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 8.11a có thể coi
như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược chiều nhau, ba Tiristo T1,T3,T5
tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn
T2,T4,T6 là một chỉnh lưu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai
chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha.
Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đố
i xứng, dòng điện

R
T1
T3
T5
L
T6
T4
T2
Ud
Uf

ABCA
Ud
Uf
ABCA
ABCA
X1
X2
X3
X4
X5
X6
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
Ud
Uf
I1
I3
I5
I2
I4
I6
0
UT1
Hình 8.11. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đường cong cơ bản,
c, d - điện á
p
tải khi
g
óc
m

ở
α
= 60
0
α
= 60
0
.

12







chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm
cần mở Tiristo chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở
nhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình
8.11b cần mở Tiristo T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng
thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristo T4 của pha B phía catod các
thời điể
m tiếp theo cũng tương tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển
cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha.
Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ
pha có điện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ÷
t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với vi
ệc mở thông
T1, T4 dòng điện dược chạy từ A về B.

Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một
van của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho
nhau. Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ÷ t3 như trên hình 8.11b Tiristo
T1 nhóm anod dẫn, nhưng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 còn
T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3.
Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉ
nh lưu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi
van dẫn và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1
(đường cong cuối cùng của hình 8.11b) trong khoảng t1 ÷ t3 van T1 dẫn điện
áp bằng 0, trong khoảng t3 ÷ t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược
U
BA
, đến khoảng t5 ÷ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược U
CA
.
Khi điện áp tải liên tục, như đường cong Ud trên hình 8.11b trị số điện áp
tải được tính theo công thức (8 -4).
Khi góc mở các Tiristo lớn lên tới góc α > 60
0
và thành phần điện cảm
của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn như các đường nét đậm trên hình
8.11d (khi góc mở các Tiristo α =90
0
với tải thuần trở). Trong các trường hợp
này dòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực
thuận theo điện áp dây đặt lên chúng (các đường nét mảnh trên giản đồ Ud của
các hình vẽ 8.11b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ có
phân cực ngược nên chúng tự khoá.
Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng như đã nói
trên là c

ần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha, do đó gây không ít

13


khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa. Để đơn giản hơn người ta có thể
sử dụng điều khiển không đối xứng.
Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng.
Loại chỉnh lưu này được cấu tạo từ một nhóm (anod hoặc catod) điều
khiển và một nhóm không điều khiển như mô tả trên hình 8.12a. Trên hình
8.12b mô t
ả giản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lưu (đường cong trên cùng),
sóng điện áp tải Ud (đường cong nét đậm thứ hai trên hình8.12b), khoảng dẫn
các van bán dẫn T1,T2,T3,D1,D2,D3. Các Tiristo được dẫn thông từ thời điểm
có xung mở cho đến khi mở Tiristo của pha kế tiếp. Ví dụ T1 mở thông từ t1
(thời điểm phát xung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T2). Trong
trường hợp điện áp tải gián đo
ạn Tiristo được dẫn từ thời điểm có xung mở
cho đến khi điện áp dây đổi dấu. Các điôt tự động dẫn thông khi điện áp đặt
lên chúng thuận chiều. Ví dụ D1 phân cực thuận trong khoảng t4 ÷ t6 và nó sẽ
mở cho dòng điện chạy từ pha B về pha A trong khoảng t4 ÷ t5 và từ pha C về
pha A trong khoảng t5 ÷ t6.

D1
D2
D3
T1
T2
T3
L
R
ABCA
X1
X2
X3
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7
Ud
Uf
T1
T2
T3

D1
D2
D3
0
Hình 8.12. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng
a- sơ đồ động lực, b- giản đồ các đường cong

14



Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp
tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 60
0
, khi góc mở tăng lên và
thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn.
Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0
khi góc mở đạt tới 180
0
. Người ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết
quả của tổng hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha
Việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lưu cầu ba pha có điều
khiển dễ dàng hơn, nhưng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn.
So với chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, thì trong sơ đồ này việc
điều khiển các van bán dẫn được thực hiện đơn giản hơn. Ta có thể coi mạch
điều khiển của bộ chỉnh lưu này như điều khiển một chỉnh lưu tia ba pha.
Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất,
hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất. Tuy vậy đây cũng là sơ đồ
phức tạp nhất.
7. Chỉnh lưu khi có điôt ngược

Như đã nêu ở trên, khi chỉnh lưu làm việc với tải điện cảm lớn, năng
lượng của cuộn dây tích luỹ sẽ được xả ra khi điện áp nguồn đổi dấu. Trong
trường hợp này như mô tả trên hình 8. 13 khi điện áp nguồn đổi dấu do điôt D
đặt ngược
điện áp lên các tiristo (trong các khoảng 0÷t1, p1÷t2, p2÷t3), nên
các tiristo bị khoá điện áp tải bằng 0. Dòng điện chạy qua các tiristo I1, I2 chỉ
tồn tại trong khoảng (t1÷p1, t2÷p2, t3÷p3) tiristo được phân cực thuận. Khi
() ()
)61(cos1(max)
2
3
cos1(max)
2
33
−+=+=
α
π
α

π
UdayUfUtb
U1
T1
U2
T2
D
R
U2
L
t
0
t1 t2 t3
Ud
Id
I1
I2
t
t
t
t
ID
p1 p2 p3
Hình 8.13. Chỉnh lưu mộtpha với biến áp trung tính
a- sơ đồ động lực b- giản đồ các đường cong.


15

điện áp đổi dấu, năng lượng của cuộn dây tích luỹ xả qua điôt, để tiếp tục duy
trì dòng điện ID trong mạch tải.

Chú ý: Từ đây trở đi thầy soạn để đưa vào sách nên
các số hiệu hình vẽ và công thức theo hệ thống công thức
mới


16


8.2. Mô tả khái quát yêu cầu của tải
Sau khi nhận được nhiệm vụ và nội dung thiết kế, người thiết kế cần
tìm hiểu tài liệu về loại tải, trong các tài liệu chuyên sâu của loại tải mà cần
phải thiết kế bộ nguồn cấp điện.
Điều cần thiết nhất của là phải có một số hiểu biết về loại tả
i mà mình
cấp điện, những đặc điểm cơ bản, những yêu cầu của tải đối với nguồn điện
(chẳng hạn như trị số hay hình dáng dòng điện có gì đặc biệt, độ ổn định và
vùng điều chỉnh điện áp trên tải ).
Ví dụ: Thiết kế nguồn chỉnh lưu cho tải mạ điện. Người thi
ết kế cần tìm
hiểu các giáo trình chuyên nghành điện hoá, chuyên sâu mạ điện, để có hiểu
biết cơ bản càn thiết về mạ điện. Những kiến thức cần biết tối thiểu mà
người thiết kế cần biết là có những phương pháp mạ nào hiện nay đang
dùng, mạ điện là gì? Cấu trúc một bể mạ như thế nào? Dòng điện cần chạ
y
qua bể mạ phụ thuộc những yếu tố nào? Điện áp cần cấp cho bể mạ là điện
một chiều. Tải mạ điện thuộc loại tải R-C-E. Tuy nhiên điện trở trong của bể
mạ nhỏ do đó hằng số thời gian nạp, xả tụ rất nhỏ. Có thể coi ảnh hưởng

của tụ là không đáng kể. Sức
điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên
chúng ta cũng có thể bỏ qua.
8.3. Lựa chọn sơ đồ thiết kế
Trên cơ sở của những hiểu biết đã thu được ở phần tìm hiểu công nghệ,
tiến hành chọn sơ đồ thiết kế. Đây là khâu quan trọng nhất có tính chất quyết
định sự đúng đắn của toàn bộ TK. Để có thể làm tốt đượ
c việc này, trước
tiên cần xác định loại nguồn thiết kế là loại nguồn nào, trong các loại nguồn
cơ bản: chỉnh lưu; điều khiển điện áp xoay chiều; băm áp một chiều hay thiết
bị biến tần.
Sau khi xác định được nguồn cơ bản thì tiến hành nghiên cứu một cách
tương đối chi tiết về loại nguồn đó.
Ví dụ: Thiết kế
bộ nguồn cho tải mạ điện, thì sau khi tìm hiểu về công
nghệ mạ, ta biết rằng loại nguồn cơ bản cho mạ điện là điện một chiều. Các
loại nguồn một chiều có thể cấp điện cho bể mạ bao gồm máy phát điện một
chiều, chỉnh lưu. Máy phát điện một chiều với nhược điểm: cổ
ghóp mau
hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn hiện nay không được
dùng trong thực tế. Chỉnh lưu với các ưu điểm: thiết bị gọn nhẹ; tác động
nhanh; dễ tự động hoá; dễ điều khiển và ổn định dòng và áp được dùng
nhiều để làm nguồn cấp cho tải mạ điện
Để có thể chọn được sơ đồ ch
ỉnh lưu nào cho phù hợp, cần tiến hành
phân loại tất cả các loại sơ đồ chỉnh lưu hiện có, bao gồm chỉnh lưu một nửa
chu kỳ, chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính, chỉnh lưu cầu một pha,
chỉnh lưu tia ba pha, chỉnh lưu tia sáu pha, chỉnh lưu cầu ba pha. Khi tìm

17

hiểu phân loại cần chú ý: các thông số cơ bản, đặc điểm của sơ đồ khi có và
không điều khiển, hoạt động, ưu nhược điểm của sơ đồ.
Qua việc phân tích ưu, nhược điểm của các sơ đồ chúng ta tiến hành
chọn một sơ đồ hợp lý cho tải. Căn cứ chọn sơ đồ chỉnh l
ưu thiết kế là:
• Yêu cầu của tải về chất lượng nguồn cấp, dải điều khiển, độ ổn
định dòng điện và điện áp tải.
• Các thông số cơ bản của tải: công suất; điện áp ; dòng điện; độ
đập mạch cho phép.
• Loại nguồn cấp- một chiều hay xoay chiều, một pha hay ba pha,
trị số đ
iện áp và tần số.
• Khả năng có thể có về nguồn vật tư linh kiện, nhất là các van bán
dẫn động lực.
• Giá thành, kích thước.
• Các căn cứ phụ khác.
Một số gợi ý về cách lựa chọn sơ đồ như sau:
Chỉnh lưu một pha thường được chọn khi nguồn cấp là lưới điện một
pha, hoặc công suất không quá lớn so vớ
i công suất lưới (làm mất đối xứng
điện áp lưới) và tải không có yêu cầu quá cao về chất lượng điện áp một
chiều.
Trong chỉnh lưu một pha, nếu tải có dòng điện lớn và điện áp thấp, thì
sơ đồ chỉnh lưu một pha cả chu kỳ với biến áp có trung tính có ưu điểm hơn.
Bởi vì trong sơ đồ này tổn hao trên van bán dẫn ít hơn, nên công suất t
ổn hao
trên van so với công suất tải nhỏ hơn, hiệu suátt thiết bị cao hơn, điện áp
ngược của van lớn (nếu điện áp cao mà chọn sơ đồ này có thể không chọn

được van bán dẫn). Nếu tải có điện áp cao và dòng điện nhỏ, thì việc chọn sơ
đồ cầu chỉnh lưu một pha hợp lý hơn, bởi vì hệ số điện áp ngược của van
trong s
ơ đồ cầu nhỏ hơn, do đó chúng ta dễ chọn van hơn.
Khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha, đối với những loại tải không
cần làm việc ở chế độ nghịch lưu hoàn trả năng lượng về lưới, nên chọn sơ
đồ chỉnh lưu cầu điều khiển không đối xứng. Vì trong sơ đồ này tại mỗi thờ
i
điểm phát xung điều khiển chúng ta chỉ cần cấp một xung (ở chỉnh lưu cầu
một pha điều khiển đối xứng chúng ta phải cấp hai xung điều khiển cho hai
Tiristo đồng thời), sơ đồ mạch điều khiển đơn giản hơn.
Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng được dùng nhiều đối với
các lo
ại tải có làm việc ở chế độ nghịch lưu hoàn trả năng lượng về lưới, như
động cơ điện một chiều chẳng hạn.
Đối với các loại tải có điện cảm lớn (ví dụ như cuộn dây kích từ của
máy điện), để lợi dụng năng lượng của cuộn dây xả ra và bảo vệ van khi mất
điện
đột ngột, người ta hay chọn phương án mắc thêm một điôt ngược song
song với tải.

18


Các sơ đồ chỉnh lưu ba pha thường được chọn, khi nguồn cấp là lưới ba
pha công nghiệp và khi tải có yều cầu cao về chất lượng điện áp một chiều.
Chỉnh lưu tia ba pha thường được lựa chọn, khi công suất tải không
quá lớn so với biến áp nguồn cấp (để tránh gây mất đối xứng cho nguồn
lưới), và khi tải có yêu cầu không quá cao về chất lượng đi
ện áp một chiều.

Đối với các loại tải có điện áp một chiều định mức là 220V, sơ đồ tia ba pha
có ưu điểm hơn tất cả. Bởi vì theo sơ đồ này, khi chỉnh lưu trực tiếp từ lưới
chúng ta có điện áp một chiều là 220V.1,17 =257,4V. Để có điện áp 220V
không nhất thiết phải chế tạo biến áp, mà chỉ cần chế tạo ba cuộn kháng
anod củ
a van là đủ.
Chỉnh lưu cầu ba pha nên chọn, khi cần chất lượng điện áp một chiều
tốt, vì đây là sơ đồ có chất lượng điện áp ra tốt nhất, trong các sơ đồ chỉnh
lưu thường gặp. Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có
mạch điều khiển đơn giản hơn, nên trong đa số các trường h
ợp người ta hay
chọn phương án cầu ba pha điều khiẻn không đối xứng. Ví dụ làm nguồn cho
máy hàn một chiều, điều khiển kích từ máy phát xoay chiều công suất nhỏ,
các bộ nguồn cho các thiết bị điện hoá như mạ điện, điện phân
Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng được dùng nhiều trong
các trường hợp tải có yêu c
ầu về việc hoàn trả năng lượng về lưới, ví dụ như
điều khiển động cơ điện một chiều.
Để giảm tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp, các cuộn dây thứ cấp biến
áp có thể đấu tam giác (Δ).
Sơ đồ tia sáu pha, với việc chế tạo biến áp phức tạp và phải làm thêm
cuộn kháng cân bằng, nên thường được lựa ch
ọn khi tải có dòng điện quá lớn
mà theo sơ đồ cầu ba pha chúng ta không chọn được van theo dòng điện.
Cùng một trị số điện áp và dòng điện tải như nhau, sử dụng sơ đồ càng
nhiều pha dòng điện làm việc của van bán dẫn càng nhỏ. Các sơ đồ cầu bao
giờ cũng có điện áp làm việc của van nhỏ hơn so với sơ đồ tia cùng loại
(xem các hệ s
ố này trong bảng 8.1)

8.4. Tính chọn các thông số cơ bản của mạch động lực
Sau khi lựa chọn xong sơ đồ thì bước tiếp theo là tiến hành tính toán
các thông số cơ bản của sơ đồ thiết kế.
Các thông số cơ bản của mạch động lực cần được tính chọn là: các van
bán dẫn động lực, máy biến áp động lực (hoặc cuộn kháng trong mạch động
lực), aptomat, cầu chì, dây n
ối

8.4.1. Tính chọn van động lực

19


Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là
điện áp và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi
lựa chọn.
Khi đã đáp ứng được hai thông số cơ bản trên các thông số còn lại có
thể tham khảo theo gợi ý sau:
• Loại van nào có sụt áp ΔU nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.
• Dòng điện rò của loại van nào nhỏ
hơn thì chất lượng tốt hơn.
• Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu
nhiệt tốt hơn.
• Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơ, công
suất điều khiển thấp hơn.

20

Các hệ số cơ bản của các sơ đồ chỉnh lưu Bảng 8.1



Tên sơ đồ
chỉnh lưu

Sơ đồ chỉnh lưu
Điện áp tải được tính Ud Hệ số điện áp
Tải thuần trở Tải điện
cảm(dòng liên
tục)
chỉnh lưu so với điện
áp tải
so với điện
áp xoay
chiều
dòng điện
liên tục
dòng điện gián
đoạn
k
u
= U
do
/U
2f
k

n1
= U
n
/U
do
k
n2
= U
n
/U
2f

CL nửa chu
kỳ

Udo.1+cosα

2

Udo.cosα

π
2

0,45

2

1,41
CL cả chu

kỳ với biến
áp có trung
tính




Udo.1+cosα

2


Udo.cosα

π
22

0,9

π
3,14

2
2
2,82
T1
L
T2
U2
R

U1
U2
U2
R
L
T
U1

21






Tên sơ đồ
chỉnh lưu

Sơ đồ chỉnh lưu
Điện áp tải được tính Ud Hệ số điện áp
Tải thuần trở Tải điện
cảm(dòng liên
tục)
chỉnh lưu so với điện
áp tải
so với điện
áp xoay
chiều
dòng điện
liên tục

dòng điện gián
đoạn
k
u
= U
do
/U
2f
k
n1
= U
n
/U
do
k
n2
= U
n
/U
2f

CL cầu một
pha
điềukhiển
ĐX


Udo.1+cosα

2

Udo.cosα

π
22

0,9

2
π

1,57

2
1,41
CL cầu một
pha
điêukhiển
KĐX






Udo.1+cosα

2
π

22

0,9



2
π

1,57



2

1,41
D2
A?D1
T1
T2
RL
T4
T2
R
T1
T
T3
L
D1 D2
T2 T1

R
L

22






Tên sơ đồ
chỉnh lưu

Sơ đồ chỉnh lưu
Điện áp tải được tính Ud Hệ số điện áp
Tải thuần trở Tải điện
cảm(dòng liên
tục)
chỉnh lưu so với điện
áp tải
so với điện
áp xoay
chiều
dòng điện
liên tục
dòng điện gián
đoạn
k
u
= U

do
/U
2f
k
n1
= U
n
/U
do
k
n2
= U
n
/U
2f

CL tia ba
pha




Udocosα
6
π
α
〈khi

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
α
π
3
sin1
3
0d
U

6
π
α
〉khi



Udocosα

π
2
63

1,17


3
2
π

2,09


6

2,45
CLtia sáu
pha


Udocosα
3
π
α
〈khi

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
α
π
6
sin1
0d
U
3
π
α
〉khi



Udocosα

π
23

1,35


2
2

2,82
T1
B
T2
C
T3
A
R
L
A*
*
*
R L
*
T1
B*
T2
C*
T3
T
A?

A
A?
B
A?
C

23






Tên sơ đồ
chỉnh lưu

Sơ đồ chỉnh lưu
Điện áp tải được tính Ud Hệ số điện áp
Tải thuần trở Tải điện
cảm(dòng liên
tục)
chỉnh lưu so với điện
áp tải
so với điện
áp xoay
chiều
dòng điện
liên tục
dòng điện gián
đoạn

k
u
= U
do
/U
2f
k
n1
= U
n
/U
do
k
n2
= U
n
/U
2f

CL cầu ba
pha điều
khiển ĐX


Udocosα
3
π
α
〈khi

⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−+
α
π
6
sin1
0d
U

3
π
α
〉khi



Udocosα

π
63

2,34


3
π

1,45


6

2,45
CL cầu ba
pha điều
khiển KĐX




Udo.1+cosα

2


π

63

2,34


3
π

1,45


6

2,45







R
T1
T3
T5
L
T6
T4
T2
D1

D2
D3
T1
T2
T3
L
R

24





Bảng các hệ số dòng điện và biến áp của các sơ đồ chỉnh lưu Bảng 8.2



Tên sơ đồ
chỉnh lưu
Hệ số dòng điện HSCS biến áp

Van bán dẫn Thứ cấp biến áp Sơ cấp biến áp k
s
=
S
ba
/
P
dmax

k
s1
=
S
1ba
/
P
dmax
k
s2
=
S
2ba
/
P
dmax

Hình dáng
dòng điện
TB
k
tb
=
I
v
/I
d

Hiệu dụng k
hd

=
I
hd
/I
d

Hình dáng
dòng điện
k
2
= I
2
/I
d
Hình dáng
dòng điện
k
1
=
I
1
/k
ba
.I
d

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Một nửa
chu kỳ

cả chu kỳ
với BA có
trung tính

2
1

0,5
2
1

0,71

2
1

0,71
1,0 1,48 1,23 1,74
Cầu một
pha
ĐKĐX

2
1

0,5
2
1

0,71

1,0 1,23 1,23 1,23
Cầu một
pha
ĐKKĐX


25







Tên sơ đồ
chỉnh lưu
Hệ số dòng điện HSCS biến áp

Van bán dẫn Thứ cấp biến áp Sơ cấp biến áp k
s
=
S
ba
/
P
dmax
k
s1
=
S

1ba
/
P
dmax
k
s2
=
S
2ba
/
P
dmax

Hình dáng
dòng điện
TB
k
tb
=
I
v
/I
d

Hiệu dụng k
hd
=
I
hd
/I

d

Hình dáng
dòng điện
k
2
= I
2
/I
d
Hình dáng
dòng điện
k
1
=
I
1
/k
ba
.I
d

Cầu một
pha
ĐKKĐX

π
α
π
2

−

π
απ
2
−


π
απ
2
−


π
απ
2
−

π
α
π
2
+

π
απ
2
+

Tia ba pha
3
1

0,33
3
1

0,58

3
1

0,58

3
2

0,82
1,34
5
1,20
9
1,48
Tia sáu
pha

6
1

0,17
6
1


32
1

0,29

1/√2
0,71
1,26 1,05 1,48
Cầu ba
pha ĐX

3
1

0,33
3
1

0,58

3
2

0,82

3
2

0,82
1,05 1,05 1,05